Углеродные нанотрубки можно вырастить с помощью поваренной соли и моющих средств

Бытовая химия может служить катализатором производства углеродных нанотрубок.

Иллюстрация Christine Daniloff, MIT.

Вещества, которые можно найти в арсенале любой домохозяйки, делают производство сверхпрочных углеродных нанотрубок проще и дешевле. Речь идёт о таких реагентах, как поваренная соль (NaCl), пищевая сода (NaHCO3) и компонент многих моющих средств – едкий натр (NaOH).

Открытие описано в научной статье, опубликованной в журнале Angewandte Chemie группой во главе с Брайаном Уордлом (Brian Wardle) из Массачусетского технологического института.

Напомним, что углеродные нанотрубки представляют собой цилиндры из "сетки" с шестиугольными ячейками, составленной из одного слоя атомов углерода. Они в десять тысяч раз тоньше человеческого волоса. При этом такие трубки гораздо прочнее стали, легче алюминия и проводят электрический ток лучше меди.

Неудивительно, что такой материал находит многочисленные применения, от изготовления пластмасс до проектов космических лифтов. Обычная "работа" для нанотрубок – служить добавкой к какому-либо материалу, повышающей его прочность.

Стандартная технология их изготовления выглядит так. Материал-подложку покрывают катализатором (обычно соединением железа) и раскаляют до 800 °C. В это время через печь пропускают углекислый газ и другие газы, содержащие углерод. Катализатор захватывает атомы углерода, которые выстраиваются в нанотрубки. Затем химики удаляют катализатор и получают материал, покрытый нанотрубками.

У этой технологии есть два существенных недостатка. Во-первых, далеко не всякое вещество выдерживает нагрев до 800 °C. Поэтому нанотрубки часто приходится отделять от подложки и добавлять их в тот материал, для которого они предназначены. Технология была бы проще, если бы нанотрубки можно было выращивать сразу на том материале, который они и призваны укрепить.

Во-вторых, из готового продукта требуется удалить вещество-катализатор, а это непростая и недешёвая задача.

"Большая часть исследований [посвящённых процессу производства] углеродных нанотрубок касается не их выращивания, а их очистки – извлечению из продукта различных металлов, используемых для их выращивания", – констатирует Уордл.

Похоже, теперь химики решили сразу обе проблемы. Причём сделали это случайно.

Учёные экспериментировали с выращиванием нанотрубок при помощи различных катализаторов на основе железа. Однако в одном из опытов форма нанотрубок оказалась необычной. Исследователи установили, что дело в небольшой примеси соединений натрия, которую они допустили, считая, что она никак не повлияет на процесс. Примесь оказалась ранее не известным катализатором роста нанотрубок.

"Натрий и другие щелочные металлы [никогда] не исследовались в качестве катализатора [роста] углеродных нанотрубок, – говорит Уордл. – Эта работа привела нас в другую часть таблицы Менделеева".

Чтобы проверить свою гипотезу, авторы исследовали рост нанотрубок в присутствии различных соединений натрия. Причём в первых экспериментах использовались поваренная соль, пищевая сода и моющие средства, купленные в ближайшем магазине. На втором этапе химики использовали чистые NaCl, NaHCO3 и NaOH в качестве катализатора процесса вместо соединений железа.

Оказалось, что соединения натрия как катализатор имеют важные преимущества. Во-первых, они не требуют разогрева до 800 °C. Достаточно и температуры в 480 °C. Таким образом, многие полимеры теперь можно укреплять нанотрубками прямо на этапе производства последних.

"Использование натрия в качестве катализатора открывает новые виды поверхностей, на которых вы можете выращивать нанотрубки", – заявляет первый автор работы Ричард Ли (Richard Li), также из Массачусетского технологического института.

Во-вторых, за 15–20 минут пребывания в печи натриевый катализатор просто улетучивается из готового продукта. Поэтому проводить процедуру его извлечения больше не требуется.

"Отличительной особенностью натрия является то, что мы можем просто нагреть его, избавиться от него и получить в качестве продукта чистые углеродные нанотрубки, чего нельзя сделать с традиционными катализаторами", – объясняет Уордл.

Правда, пока нанотрубки получаются не такого высокого качества, как при использовании традиционных технологий. Атомы в их стенках не образуют идеальной гексагональной (шестиугольной) решётки. Это снижает прочность нанотрубок и влияет на другие их свойства.

Авторы планируют исправить этот недостаток, подобрав подходящие параметры процесса: температуру, время пребывания в печи и другие условия.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) писали о транзисторах из углеродных нанотрубок и о том, зачем их добавляют в графен.